全国草原面积近4亿hm², 约占国土面积的41.7%, 是面积最大的陆地生态系统和生态安全屏障^[1]。草地退化是由于人为活动或不利自然因素所引起的草地(包括植物及土壤)衰退, 生产力、经济潜力及服务功能降低, 环境变劣以及生物多样性或复杂程度降低, 恢复功能减弱或失去恢复功能的过程^[2]。草地生态系统是青海湖流域的主体生态系统, 主要包括温性草原、高寒草原、高寒草甸和沼泽草甸等类型。近年来, 受全球气候变暖及日趋频繁的人类经济活动的共同影响, 青海湖流域草地生态系统持续退化, 已引起各方面的高度关注^[3-7]。近年来, 对青海湖流域的研究主要集中于对土地利用/土地覆盖、景观结构、湿地、植被覆盖、草地类型、蒸发量等生态环境要素进行动态监测^[8-12], 或者研究该流域生态环境与经济发展之间的关系^[13-15]。以青海湖流域退化草地为对象进行的时空变化研究较少。因此, 对青海湖流域草地退化面积、程度和速率开展监测研究, 将为相关部门提供有效的草地资源变化数据, 对于整个生态环境建设和人民生活水平的提高都具有重要意义。

在众多遥感数据产品中, 归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)是植被生长状态和植被覆盖度的最佳指示因子^[16-20]。以MODIS-NDVI数据为基础数据源, 对青海湖流域历年的植被覆盖度进行反演, 依据GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》以及相关资料, 在定量确定草地退化评价“基准”的基础上, 对青海湖流域草地退化的时空特征进行分析, 以期对当地及其周边地区的生态环境保护和社会经济发展提供重要参考依据。

1 研究区域与方法 1.1 青海湖流域概况

青海湖位于青藏高原东北端, 祁连山地的东南部, 四周高山环绕。地理位置介于北纬36°32′~37°15′, 东经99°36′~100°46′之间。该湖东西长106 km, 南北最宽63 km, 周长约360 km, 湖面海拔3 194 m, 湖水最深处26 m, 平均深度16 m。近年来, 青海湖水位经历了一个不断下降的过程, 2010年湖面面积为4 331 km²。青海湖流域由青海湖及直接注入青海湖的50多条河流子域组成, 面积为29 661 km²。从流域最高处海拔5 291 m的岗格尔肖合力山到海拔3 194 m的青海湖, 流域高差2 097 m, 山地面积约占68.6%, 平原约占31.4%。

青海湖地区属高原大陆性气候区, 光照充足, 干湿季分明, 年均温在0.3~1.1 ℃之间。湖区全年降水偏少, 主要集中在5—9月, 雨热同季, 每年从11月中旬开始到翌年1月气温较低。此时, 全湖形成稳定的冰盖, 冰封期年平均为108~116 d。青海湖湖水补给来源为河水、雨水及地下水, 每年获得径流补给主要来自布哈河、沙柳河、乌哈阿兰河和哈尔盖河。

1.2 数据来源与处理

利用1982—2006年美国航空航天局全球监测与模型研究组(global inventory modelling and mapping studies, GIMMS)的年NDVI数据和2001—2010年中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)的年NDVI数据, 从空间分布和时间变化2个方面对整个青海湖流域1982—2010年草地的NDVI变化进行详细的空间格局和时间特征分析。为了保证影像的高质量和同时相, 均选择夏季影像, 云层覆盖度小于10%。利用ENVI 4.8软件对影像进行标准假彩色波段组合、彩色增强, 并借助1:5万地形图对影像进行二项式几何精校正, 空间误差保证在正负2个像元内, 然后在ArcGIS 9.3软件支持下, 结合青海湖流域土壤、植被分布和土地利用等相关资料, 采用人机交互解译方法提取数据。数据预处理包括条纹去除、数据定标、几何精校正、投影变换和数据融合等。

1.3 研究方法

依据GB 19377—2003和相关资料^{[7, 20]}, 以3 a滑动平均后的值作为基准, 认为其是未退化的植被覆盖度, 按草地退化程度分为基本不变、轻度退化、中度退化和重度退化4级, 同样, 按草地改善程度分为基本不变、轻度改善、中度改善和明显改善4级(表 1)。

STOW等^[21]和HOPE等^[22]采用一元线性回归来分析每个栅格点的变化趋势, 从而计算植被的绿度变化率(greenness rate of change, GRC, C_GR), C_GR被定义为某时间段内的季节合成NDVI年际变化的一元线性回归方程的斜率。采用此方法来模拟流域内每个栅格NDVI的年际变化趋势, 计算公式为

$ S=\frac{n\times \sum\limits_{i=1}^{n}{i\times {{I}_{\text{SINDV}, i}}-\sum\limits_{i=1}^{n}{i\sum\limits_{i=1}^{n}{{{I}_{\text{SINDV, }i}}}}}}{n\times {{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{i}^{2}}-\left( \sum\limits_{i=1}^{n}{i} \right)}}^{2}}}。$

(1)

式(1) 中, i为年序号; I_{SINDV, i}为第i年生长季合成的年NDVI值。变化趋势图则反映了1982—2010年这29 a的时间序列中青海湖流域植被I_SINDV的变化趋势。每一个像元的趋势线是这个像元29 a的I_SINDV值用一元线性回归模拟获得的一个总的变化趋势。S为这条趋势线的斜率, 这个趋势线并不是简单的最后1 a与第1年的连线。其中, 如果S > 0, 则说明此像元I_SINDV在这29 a间的变化趋势是增加, 反之则是减少。

为更具体地分析青海湖流域草地退化特征, 综合考虑地形、海拔、草地类型等因素后, 在草地退化重点区域选取8个样地(图 1)。样地包括温性草原、高寒草原、高寒草甸等流域主要草地类型, 以此来反映流域不同区域、不同类型草地的退化情况。利用1982—2006年GIMMS的生长季数据合成年I_SINDV变化图, 利用2001—2010年MODIS的生长季数据合成年I_SINDV图。

2 结果与分析 2.1 流域草地变化

由表 2可知, 1977—1987年, 流域内草地共减少120.88 km², 其中, 大部分草地转变为耕地和沙地, 其他一部分草地转变为城镇和滩地; 1987—2000年, 流域内草地共减少85.80 km², 其中, 大部分草地转变为耕地, 其他一部分草地转变为沙地、沼泽、城镇和滩地; 2000—2004年, 流域内草地面积共增加29.01 km², 其中, 大部分由水体、沙地和沼泽转来; 2004—2010年, 流域内草地共减少8.83 km², 其中, 一部分草地转变为耕地、城镇和沼泽, 另一部分草地转变为林地、水体和滩地。历年青海湖流域草地面积见表 3。

由表 2~3可知, 1977—1987年和1987—2000年这2个时间段流域内草地退化较为严重, 其主要原因是在这2个时期, 人口发展迅速, 大量草地被开垦为耕地, 加上过度放牧、青海湖水位的下降及湖区周边沙漠化的加重, 使得大量草地变为耕地、沙地和未利用地。

在2000年之后, 流域内草地退化情况得到明显改善, 草地总面积开始有所增加, 其原因有2个方面:一是流域内气候在2000年之后相对暖湿, 尤其是2004年之后, 温度升高和降水增加为草地的生长和改善提供了有利的自然条件; 二是政府和相关部门在流域内实行了一系列保护草地的政策, 耕地扩张和过度放牧都得到了有效控制。但是, 随着近几年青海湖流域旅游的大力开发, 人类活动开始加剧, 加之, 青海湖水位的持续下降, 流域内草地面积尤其是湖区周边草地面积又呈现减少趋势。

2.2 草地退化的空间格局特征

由图 2(a)可知, 1982—2000年, 流域内草地退化区域主要位于湖区南岸、共和县的黑马河乡及布哈河口的鸟岛附近, 而流域西北部天峻县山区的草地质量改善明显; 图 2(b)显示, 2001—2010年, 湖区南岸的草地退化仍在加剧, 湖区北岸、刚察北部及天峻北部山区的草地出现大面积退化, 但布哈河中段河流两边草地质量改善明显。对比可以看出, 青海湖流域草地退化的空间分布格局在2000年以前就已经基本形成, 2000年以后, 空间分布格局总体上变化不大, 流域北部呈现加剧趋势。

2.3 重点区域草地年度变化特征

由图 3可知, 基于8个样地GIMMS数据的I_SINDV从1982—2006年总体上变化规律比较一致。1982—1990年前后, 8个样地的I_SINDV都呈现波动增加趋势; 1990—2000年前后, 大部分样地呈现较为明显的下降趋势; 2000—2006年, 多数样地表现出波动状态, 上升和下降趋势不明显。

8个样地MODIS数据的I_SINDV在2001—2010年变化规律也比较一致(图 4)。2001—2004年, 除了样地1呈明显下降趋势外, 其余样地处于波动状态, 上升或下降趋势不明显; 2004年之后, 8个样地I_SINDV都呈现明显上升趋势。

综上所述, 青海湖流域草地NDVI年际变化可分为1982—1990年上升、1990—2000年下降、2000—2004年波动和2004—2010年上升4个阶段。

3 讨论与结论

综合流域草地宏观调查、植被指数年际变化结果, 青海湖流域草地退化空间格局在2000年之前就已经形成, 2000—2010年在此基础上有所发展。草地退化严重的区域主要分布在3个区域:(1) 湖区东南侧共和县石乃亥乡至黑马河乡一带为持续退化区, 是流域内草地退化最严重的区域; (2) 天峻县快尔玛乡布哈河的南侧表现为先退化后明显好转, 2000年之前草地退化严重, 但随着流域气候的转变, 近几年该区域草地得到明显改善; (3) 流域北部山区刚察县吉尔孟乡、泉吉乡和伊克乌兰乡交界一带属于轻度退化区, 草地退化程度虽不太严重, 但退化情况在2000年之后有向北部继续扩张的趋势。

1977—2000年, 青海湖流域草地退化情况十分严重, 其主要原因有2个。一是流域人口发展, 大量草地转变为耕地和城镇, 过度放牧加剧, 草地质量进一步退化。近60 a来, 青海湖流域人口增长迅速, 由建国初期不足2万人, 增加到2010年13.23万人。二是流域这段时期气候冷干, 降水较少, 青海湖水位持续下降, 湖区周边沙漠化现象严重, 导致湖区周边草地退化为沙地。在2个方面因素的共同影响下, 这段时期流域内草地面积大量减少, 草地质量退化严重, 草地种类、草地产草量等各方面都呈明显下降趋势。这段时期是青海湖流域草地严重退化时期。

2000—2004年, 流域气候进入暖湿期, 气温逐渐升高，降水逐渐增加, 为草地恢复生长提供了条件, 加上流域开始重视对草地的保护, 耕地扩张、过度放牧得到很好控制, 草地退化情况逐渐得到减缓, 草地面积和产草量在一定程度上得到恢复。这段时期是青海湖流域草地退化的波动时期, 草地退化情况在这段时期逐渐有所改善。

2004年是青海湖流域气候转折年, 流域气温升高，降水明显增加, 青海湖水位下降趋势有所缓解, 流域草地退化现象明显好转, 大部分地区草地质量得到改善, 草地产草量呈现上升趋势。但由于近几年大力开发湖区旅游, 使得湖区周边草地受人类活动的破坏较为严重, 退化现象较为明显。湖区周边草地是今后青海湖流域草地保护的重点。

青海湖流域退化草地的变化是气候变化和人类活动共同作用的结果。2000年以后青海湖流域暖湿的气候特征更加明显^[23], 这是流域草地向良好状况发展的有利自然条件, 此与前人利用增强型植被指数(enhanced vegetation index, EVI)进行反演的结果一致^[24]。由于青海湖流域生态环境的脆弱性和容易受气候变化的影响等特点, 在今后的研究中, 应通过多种途径和方法对青海湖流域植被(特别是草地)进行监测, 研究分析植被变化的影响因素, 为保护青海湖流域脆弱的生态系统提供依据。